Βελτίωση της απόδοσης λεπτών σκληρών επικαλύψεων εργαλείων και στοιχείων μηχανών μέσω πειραματικής και θεωρητικής με τη χρήση της μεθόδου πεπερασμένων στοιχείων διερεύνησης των μηχανικών ιδιοτήτων, της δομής και της γεωμετρίας τους

Abstract

Industrial activity is characterized by a continuous effort for faster, enhanced and cheaper production of mechanical parts. Also, there is an increased need for the creation of higher performance components. The purpose of this doctorate is to combine experimental and computational methodologies to highlight the effect of mechanical properties, structure and geometry of coated cutting tools and machine elements on their performance. New experimental methodologies and numerical simulation models were developed using the finite element method to determine wear mechanisms and improve the performance of coatings as a function of their properties, microstructure and geometry. The deposition of multilayer PVD coatings instead of monolayer ones has been approved as a very effective method for prolonging coated tool life. Νovel methods are applied for characterizing the fatigue and the brittleness of mono- and multi-layer PVD films. These properties are crucial in milling operations, since they influence the development of fatigue cracks and their propagation as well. Since the nano-impact test is a reliable method to characterize the brittleness of PVD coatings, its analytical description can contribute to an efficient assessment of the brittleness of various coating structures, thus restricting the experimentation's time. For those reasons, an axis-symmetrical FEM model for the dynamic simulation of the nano-impact test was developed. The potential of a PVD-coating to withstand mechanical and thermal loads in cutting procedures depends among others on its mechanical properties and adhesion. Recent investigations revealed that increased film residual stresses, induced by a bias-voltage augmentation and the consequent formation of dislocations in their crystalline structure, increase the mechanical properties of PVD coatings; however their adhesion may be deteriorated. In this context, coated cemented carbide inserts were manufactured by applying diverse bias voltages of constant or variable magnitudes during the PVD process. The stress fields developed in the coated cutting wedge region were calculated by means of a FEM simulation of the cutting process taking into account the actual cutting edge geometry and the adhesion of the films. In this way, it was possible to explain the coating wear evolution on the tool flank and rake dependent on the film mechanical properties and adhesion.

Η βιομηχανική δραστηριότητα χαρακτηρίζεται από μία συνεχή προσπάθεια για γρηγορότερη, ποιοτικότερη και φθηνότερη παραγωγή προϊόντων. Επίσης, εντοπίζεται αυξημένη ανάγκη για τη δημιουργία εξαρτημάτων με καλύτερη απόδοση λειτουργίας. Στόχος της παρούσας διατριβής είναι η σύνδεση πειραματικών και υπολογιστικών μεθοδολογιών με σκοπό την ανάδειξη της επίδρασης των μηχανικών ιδιοτήτων, της δομής και της γεωμετρίας επικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων και στοιχείων μηχανών επί της απόδοσης λειτουργίας τους. Δημιουργήθηκαν πρωτότυπες πειραματικές μεθοδολογίες και αριθμητικά μοντέλα προσομοιώσεων με τη χρήση της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων με σκοπό τον προσδιορισμό των μηχανισμών φθοράς συναρτήσει των ιδιοτήτων, της μικροδομής και κάποιων κατασκευαστικών διαδικασιών τους. Η εναπόθεση πολλαπλών στρώσεων επικάλυψης αντί μίας στρώσης επικάλυψης δύναται να αποτελεί μία αποτελεσματική μέθοδο για την αύξηση της διάρκειας ζωής του κοπτικού εργαλείου. Στη παρούσα εργασία, νέες μέθοδοι εφαρμόζονται για το χαρακτηρισμό της κόπωσης και της ευθραυστότητας των πολυστρωματικών επικαλύψεων. Οι ιδιότητες αυτές είναι πολύ σημαντικές κατά το φραιζάρισμα, δεδομένου ότι επηρεάζουν τόσο στην ανάπτυξη όσο και στη διάδοση της ρωγμής. Δεδομένου ότι η δοκιμή των νάνο-κρούσεων είναι μια αξιόπιστη μέθοδος για τον χαρακτηρισμό της ευθραυστότητας των επικαλύψεων, η αναλυτική περιγραφή της μπορεί να συμβάλει στην αποτελεσματική αξιολόγηση της ευθραυστότητας των διάφορων δομών επικάλυψης, περιορίζοντας με αυτό τον τρόπο το χρόνο των πειραματικών διαδικασιών. Για τους παραπάνω λόγους, αναπτύχθηκε ένα αξισυμμετρικό μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων για τη δυναμική προσομοίωση της δοκιμής των νανοκρούσεων. Η δυνατότητα των επικαλύψεων να αντέχουν στα μηχανικά και θερμικά φορτία κατά τις κατεργασίες αφαίρεσης υλικού εξαρτάται μεταξύ άλλων από τις μηχανικές ιδιότητες και τη συνάφεια τους. Επικαλυμμένα εργαλεία σκληρομετάλλου κατασκευάστηκαν εφαρμόζοντας διαφορετική τάση πόλωσης κατά τη διαδικασία της εναπόθεσης. Τα αναπτυσσόμενα πεδία τάσεων στον κοπτικό σφήνα κατά την κατεργασία αφαίρεσης υλικού υπολογίστηκαν μέσω μίας προσομοίωσης, η οποία λαμβάνει υπόψη τις αναπτυσσόμενες δυνάμεις στο εργαλείο, την πραγματική γεωμετρία της κόψης αλλά και τη συνάφεια της επικάλυψης με το υπόστρωμα. Με τη βοήθεια των παραπάνω, κατέστη δυνατή η περιγραφή της αναπτυσσόμενης φθοράς στις επιφάνειες αποβλίττου και ελευθερίας ενός κοπτικού εργαλείου συναρτήσει των μηχανικών ιδιοτήτων και της συνάφειας της επικάλυψης.